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          四維時空中一切物體的運動速度都是光速!包括你我都以光速運動
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          2022.05.09 廣東省

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          看到這個題目,很多人可能一頭霧水:我們怎么可能以光速運動呢?何況愛因斯坦的相對論早就表明,任何物體的運動速度都不可能達到超過光速。

          是不是一臉懵逼?

          不要驚訝,事實上卻是如此,卻是如題目所說。這里需要強調一點的是,題目中的“四維時空”很重要,是前提條件。我們需要明白四維時空與三維空間的本質區(qū)別,不然真的會懵逼。

          日常生活中,我們經常會與速度打交道。很多人都經常開車,在市區(qū)開車,一般限速都在60公里。高速公路上限速基本都在120公里。

          這里的速度,其實都是“空間”里的速度,也就是“三維空間”里的速度,只不過我們不會刻意強調“三維空間里的速度”,因為我們默認就是三維空間。

          那么,速度是如何計算的呢?

          小學生都知道,速度等于距離(也就是位移)除以時間,按照這個公式計算,速度當然有快有慢。而且,愛因斯坦的狹義相對論確實強調:任何物體的速度都不會超越光速。

          也就是在這種環(huán)境下,很多人對“萬物在四維時空里都以光速運動”大為不解。

          正如剛才所說,不理解的根本原因就在于“四維時空”與“三維空間”的區(qū)別,說白了,也是愛因斯坦相對論與牛頓經典力學的區(qū)別。

          再強調一點,狹義相對論的背景是四維時空(閔可夫斯基時空),在四維時空里,最基本的要素是事件,也就是不斷發(fā)生的事件。而事件本身就包含有兩個要素:時間和空間,也就是一個時間坐標加上三個空間坐標。

          在四維時空里,時間和空間是平等的,不可分割的,是一個整體。

          我們平時所說的速度是三維空間里的速度,并不包括時間維度。而由于狹義相對論的背景是四維時空,而不是三維空間,所以,四維時空里的速度定義與三維空間里的速度定義完全不同,那么該如何定義呢?

          基本公式是一樣的,按照三維空間里速度的計算公式,四維時空中的速度是這樣的:四維時空中的一個點運動到另一個點的“時空距離”除以時間,就是四維時空里的速度。

          所以,可以看出,要計算四維時空里的速度,必須搞清楚“時空距離”(時空位移)和“時間”的概念。

          如果你之前了解過“時空圖”(或者世界線)的概念,就比較容易理解了。不了解也沒關系,這里簡單通俗地解釋一下。

          在四維時空里有四個坐標,也就是一個事件有四個坐標,我們用事件p1(x1,y1,z1,t1)來表示。同理,用p2(x2,y2,z2,t2)表示另一個事件,從p1移動到p2就是四維時空里的位移(時空距離)。

          這與三維空間里的位移有本質區(qū)別。三維空間里只有空間上的位移,比如說我們經常說從一個地方到另一個地方。而四維時空里有四個坐標,包括三維空間坐標和一個時間坐標。

          下面來個思想實驗。

          此刻的靜靜地坐在沙發(fā)上看這篇文章,從空間(三維空間)來看,你的坐標沒有任何變化。但是從四維空間來看,你看這篇文章的過程中,時間坐標一直在發(fā)生著變化,也就是說時間一直在運動。

          假設你早上7點鐘開始看這篇文章,15分鐘看完,也就是7點15分看完。

          那么“早上7點坐在沙發(fā)上”與“早上7點15分坐在沙發(fā)上”其實就是兩個不同的時空點,也就是兩個不同的事件(四維空間里的事件)。

          表面上你一動沒動(一直坐在沙發(fā)上),實際上你一刻不停地在“運動”,這種運動正是你在四維時空里的運動。

          看到這里,或許你有點豁然開朗了。咱們繼續(xù)。

          在沙發(fā)上靜止(三維空間里的靜止)的你,速度為零。但在四維空間里,你的時間坐標一直在發(fā)生變化,一直在運動,所以你的速度肯定不是零。那么三維空間里靜止的你的速度究竟是多少呢?

          或許很多人都有預感:你的速度正是光速。

          繼續(xù)思想實驗:閉上雙眼,想象一下自己在時間長河里飛奔,所謂的“時間一去不復返”就是這個道理。我們每個人不僅僅在空間里運動,還一刻不停地在時間里飛行。

          而且,我們可以在空間里靜止不動(當然不是絕對的),但在時間維度里,我們絕對不能靜止。

          要想在時間維度靜止怎么辦?或許有人已經知道答案了:除非你在空間維度能以光速飛行!

          越來越接近答案了。

          在空間維度以光速飛行,時間就靜止了。這不就是愛因斯坦狹義相對論表達的“時間膨脹”(鐘慢效應)嗎?

          時間膨脹強調:速度(空間速度)越快,時間就越慢。反過來就是:速度越慢,時間就越快。

          速度最慢是多少呢?當然是零。速度為零,就是空間上的靜止。速度為零時,時間流逝的速度最快,也就是光速!

          也就是說:即便你坐在沙發(fā)上一動不動(空間上靜止),在時間維度上你仍舊以光速運動!

          說白了,想要時間變慢,就需要快速在空間上運動。想要時間流速變快,只需要空間上的速度盡量變慢就可以了。

          四維時空里的速度必須保持光速。可以這樣理解:在四維時空里,空間里的速度與時間的速度的“矢量之和”保持光速不變。

          空間速度和時間速度,就好像我們學數學時經常計算的速度疊加一樣。在三維時空里,不同方向上的兩個速度疊加之后的速度都會發(fā)生變化,但在四維時空里,空間速度與時間速度疊加之后的速度等于光速,保持恒定!

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